1、前言
我國的鋼產(chǎn)量已連續多年居世界第一，并每年以20%以上的高速度在增長(cháng)。2004年的鋼產(chǎn)量是2.73億噸，2005年將超過(guò)3億噸，占世界鋼產(chǎn)量的1/3。作為制造業(yè)基礎的鋼鐵工業(yè)，現在正在進(jìn)行大規模建設和技術(shù)改造。有資料顯示，50萬(wàn)噸以上的鋼廠(chǎng)全面盈利，這吸引了眾多民營(yíng)企業(yè)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，出現了“大煉鋼鐵”的局面。然而中國鋼鐵工業(yè)的問(wèn)題也非常突出。它的能耗水平高，對環(huán)境的污染嚴重，能夠生產(chǎn)高檔次鋼材的企業(yè)少，如用于電機行業(yè)的硅鋼片、高檔汽車(chē)用的鋼板每年還需要大量從國外進(jìn)口。
變流器在鋼鐵方面的應用主要有兩個(gè)方面:一個(gè)是大型軋機傳動(dòng)，由交流調速取代直流調速，提高軋鋼能效;另外一方面是環(huán)保節能的傳動(dòng)，例如鋼鐵工業(yè)中的高爐鼓風(fēng)機，冶煉除塵風(fēng)機和水泵等等，現在大多數還是采用檔板截流的調節方式，采用高壓變頻調速將產(chǎn)生較大的節能效益，市場(chǎng)前景廣闊。當前在軋機主傳動(dòng)中應用的交流調速技術(shù)主要是交—交變頻調速，IGCT/IGBT三電平交—直—交變頻調速。
大功率軋鋼機主傳動(dòng)要求電氣傳動(dòng)系統具有很高動(dòng)態(tài)響應和相當高的過(guò)載能力。這一領(lǐng)域長(cháng)期以來(lái)一直被直流電動(dòng)機傳動(dòng)所壟斷，由于直流電機存在著(zhù)換向問(wèn)題和換向器、電刷等部件維護工作量較大，使其在提高單機大容量、提高過(guò)載能力、降低轉動(dòng)慣量以及簡(jiǎn)化維護等方面受到了限制，已不能滿(mǎn)足軋鋼機向大型化、高速化方面的發(fā)展。隨著(zhù)電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及現代控制理論的迅速發(fā)展，該技術(shù)受到國內外鋼鐵工業(yè)和電氣傳動(dòng)學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。70年代以后，隨著(zhù)交流電機矢量控制理論的產(chǎn)生及其應用技術(shù)的推廣，世界工業(yè)發(fā)達國家都投入大量人力物力對交—交變頻軋鋼機主傳動(dòng)進(jìn)行研究。到目前，在世界上已有上千臺交流變頻軋機主傳動(dòng)投入工業(yè)應用，在工業(yè)發(fā)達國家新建1000kW以上的軋機主傳動(dòng)，無(wú)論是初軋機，中板軋機還是熱、冷連軋機，無(wú)一例外全部采用交流變頻調速。在大功率軋鋼機主傳動(dòng)領(lǐng)域已出現交流調速傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)的趨勢。
2、交—交變頻器 1987年湖南湘潭鋼鐵廠(chǎng)從西門(mén)子公司引進(jìn)了交—交變頻的軋鋼機，拉開(kāi)了我國軋鋼機采用交流傳動(dòng)的序幕。這套軋鋼機投入運用后，湘潭鋼鐵廠(chǎng)的噸鋼能耗節約了30%。此后，交流調速技術(shù)在鋼鐵領(lǐng)域得到了大力推廣。
2.1交—交變頻的特點(diǎn)
交—交變頻調速系統如圖1所示，由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，它沿續著(zhù)晶閘管變流器的電網(wǎng)自然換流原理，具有過(guò)載能力強、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著(zhù)輸出頻率低(最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率)，電網(wǎng)功率因數低，旁頻諧波影響等缺點(diǎn)。交—交變頻區分為有環(huán)流和無(wú)環(huán)流方式，可驅動(dòng)同步電機或異步電機。
2.2交、直流調速的比較
軋鋼機交流傳動(dòng)較傳統的直流傳動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn):
(1)交流電機的單機容量不受限制，而直流電機的極限是5000kW/500r/min;
(2)同等功率情況下，交流電機的轉動(dòng)慣量比直流電機的要小得多，如寶鋼有臺2×4500kW的直流電機，它的轉動(dòng)慣量GD2=76.8tm2，而9MW交流同步電機單電機傳動(dòng)，GD2=17.2tm2，為直流電機的1/4.5。因此交流電機的加速性能要大大超過(guò)直流電機;
(3)交流調速的動(dòng)態(tài)性能好，速度響應由直流的15～30rad/s提高到40～100rad/s;
(4)交流電機的效率比直流電機提高2～3%;采用交流調速可提高生產(chǎn)效率，綜合節能30%(耗電/噸鋼);
(5)交流調速體積小、重量輕、占地面積小，維護簡(jiǎn)單。
采用交流調速對寶鋼2050熱連軋和武鋼1700熱連軋進(jìn)行改造，用一臺1萬(wàn)多kW的電機來(lái)取代原來(lái)的3臺直流電機，體積減小了2/3?？傮w來(lái)說(shuō)在鋼鐵領(lǐng)域交流調速取代直流調速已經(jīng)形成了一個(gè)趨勢。
2.3交—交變頻器的國產(chǎn)化研究
國家把大型軋機主傳動(dòng)裝備國產(chǎn)化列入“七五”、“八五”、“九五”國家重大技術(shù)攻關(guān)項目。國家要求大功率交流調速系統技術(shù)盡快產(chǎn)業(yè)化，以改變大型工業(yè)機械傳動(dòng)裝備長(cháng)期依賴(lài)于進(jìn)口的局面。原冶金部和機械部把交—交變頻列為重點(diǎn)科研項目。冶金自動(dòng)化院、天津電氣傳動(dòng)研究所對該技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，同時(shí)，清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校參與了項目的研制和理論分析，哈爾濱電機廠(chǎng)、東方電機廠(chǎng)、上海電機廠(chǎng)等企業(yè)則研制用于交—交變頻調速系統的同步電機。
1993年第一套國產(chǎn)的2500kW交—交變頻同步電機調速系統研制成功，應用于包鋼軌梁廠(chǎng)850型鋼軋機;1996年第一套4000kW國產(chǎn)全數字控制交—交變頻調速系統問(wèn)世，應用于重鋼中板軋機主傳動(dòng);1999年第一套國產(chǎn)雙機傳動(dòng)交—交變頻調速系統研制成功，應用于武鋼軋板廠(chǎng)中板軋機;2000年第一套熱連軋機交—交變頻調速的在攀枝花鋼鐵公司投入運行。據統計從1996年至2005年，我國大功率交—交變頻軋機傳動(dòng)系統共263套，其中國內制造171套，占65%。我國大功率交—交變頻的技術(shù)水平與應用規模已超過(guò)美國GE、法國Alstom、意大利Ansaldo，達到世界先進(jìn)水平;徹底扭轉了大型工業(yè)軋鋼傳動(dòng)裝備長(cháng)期依賴(lài)于進(jìn)口的局面。
3、交—直—交變頻器 3.1交—直—交變頻器的特點(diǎn)
進(jìn)入80年代以來(lái)，打破晶閘管元件一統天下的自關(guān)斷電力半導體器件，大功率晶體管GTR，可關(guān)斷晶閘管GTO以及場(chǎng)控器件絕緣柵雙極晶體管IGBT相繼問(wèn)世，開(kāi)始了一個(gè)以自關(guān)斷電力半導體器件為核心的新時(shí)代，與傳統的半可控晶閘管器件相比，采用自關(guān)斷電力半導體器件的電氣傳動(dòng)裝置具有節約原材料，變換器裝置結構簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，功率因數高，諧波污染小等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。
3.2交—直—交變頻器在軋鋼傳動(dòng)中應用
在大功率高電壓變頻調速領(lǐng)域，GTO元件曾占主要地位。20世紀90年代，GTO變頻調速繼在鐵路牽引機車(chē)上普遍應用之后，世界各國開(kāi)始研制軋機主傳動(dòng)GTO變頻調速系統。日本三菱公司率先研制成功6000V/6000A大功率GTO元件，并將世界最大功率7000kW，3kV，GTO同步電機變頻調速成功地應用于我國寶鋼1580mm熱連軋機和鞍鋼1780mm熱連軋機。圖3為GTO交—直—交多電平PWM變頻調速系統，該系統為電壓型變頻器，電源測變流器亦采用GTO脈寬調制技術(shù)，控制輸入電流的相角可以達到功率因數始終為1，并減少輸入電流的諧波。該變頻器采用三電平GTO元件串聯(lián)控制技術(shù)，使變頻器輸入和輸出電壓可達到3300V。與采用晶閘管元件的交—交變頻調速系統相比，GTO變頻器具有輸出頻率不受限，電網(wǎng)諧波污染小，功率因數高等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，但也存在著(zhù)GTO元件開(kāi)關(guān)損耗較大，效率低，需要水冷卻，維護困難等問(wèn)題，同時(shí)電力半導體領(lǐng)域一直對GTO元件看法不一，期待更新型的場(chǎng)控器件來(lái)取代它。
近幾年，高電壓大功率電力半導體器件的研制是世界各國在軋機傳動(dòng)領(lǐng)域的競爭熱點(diǎn)，由瑞士ABB公司研制成功的門(mén)極可關(guān)斷晶閘管IGCT，是在GTO元件基礎上進(jìn)行創(chuàng )新的一種新型大功率電力半導體器件。它在器件的結構設計中減少了控制門(mén)極回路電感,將驅動(dòng)電路集成到器件旁，使IGCT的開(kāi)關(guān)損耗較GTO減少一個(gè)數量級，提高了開(kāi)關(guān)速度，取消了緩沖吸收電路，大大簡(jiǎn)化了變頻器結構并提高了系統效率。ABB，GE，ANSALDO，以及西門(mén)子公司已研制成功采用4000A/4500V, IGCT元件的大功率三電平PWM變頻器用于軋機主傳動(dòng)。我國本溪鋼鐵公司1700軋機改造采用了GE公司的IGCT三電平變頻器，電機功率7MW/6kV。IGCT已成為GTO的換代器件。
GTO交—直—交三電平PWM變頻調速系統主電路
日本東芝公司近期研制成功高電壓大功率的IEGT元件，即電子促進(jìn)絕緣柵雙極晶體管，4000A/4500V。IEGT是IGBT的一種形式，具有IGBT元件電壓驅動(dòng),開(kāi)關(guān)速度快，可自保護等優(yōu)點(diǎn)，東芝公司已將采用IEGT元件的7MW/3kV大功率三電平變頻器應用于我國鏈源鋼鐵公司薄板坯連鑄連軋主傳動(dòng)中。
3.3交—直—交變頻器存在的問(wèn)題
盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數高等優(yōu)點(diǎn)，但交—直—交變頻器仍存在許多待改進(jìn)的問(wèn)題:
(1)當前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期，GTO元件面臨淘汰，IGBT，IGCT尚待成熟;
(2)采用IGCT(或者GTO)、IECT的變流器，器件故障造成直通短路的保護還是難題;電源側變流器如果發(fā)生直通短路會(huì )造成電網(wǎng)短路，所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器，一般要求15%，甚至高達20%;
(3)交—直—交變頻器低頻運行時(shí)過(guò)載能力減低，一般運行在5Hz以下時(shí)變頻器過(guò)載能力減半;
(4)交—直—交變頻器輸出PWM調制電壓波形的電壓變化率du/dt很高，容易造成電機和電器的絕緣疲勞損傷;輸出導線(xiàn)較長(cháng)時(shí)，共模反射電壓會(huì )在電機側產(chǎn)生很高的電壓，如果是兩電平的變流器，這個(gè)電壓的峰值是直流電壓的兩倍，如果是三電平的變流器，這個(gè)電壓的峰值是中間一半電壓的三倍;
(5)交—直—交變頻器PWM調制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問(wèn)題。
3.4交—直—交變頻器的國產(chǎn)化研究
國產(chǎn)的交—交變頻調速系統已成功應用于低速、大轉矩的大型熱軋機主傳動(dòng)，但對于高轉速的冷軋機交—交變頻器顯然不具優(yōu)勢，冷軋機應采用交—直—交變頻器。因此，大功率交—直—交變頻驅動(dòng)的冷連軋機國產(chǎn)化已作為國家“十一五”重大裝備攻關(guān)項目。
冶金自動(dòng)化院在國家863項目的支持下，研制成功一臺5000kW的IGCT變流器，完成了驅動(dòng)3600kW同步電機的工業(yè)性試驗。目前，課題組通過(guò)充分分析國外IGCT變流器電路拓撲和結構，研制降低電路雜散電感的結構布置，使國產(chǎn)IGCT變流器能力已經(jīng)達到了10MVA，而且體積大大縮小。
